태평양 상공을 비행하는 사람은 지구의 70.6%가 물로 구성되어 있으므로 인류에게 필요한 물의 양은 줄어들지 않을 것이라 생각하게 된다. 그러나 이러한 수자원의 97.5%는 바다에 존재하는 염분수로, 음용수로는 부적절하다. 즉, 지구상의 수자원 중 2.5%만이 청정한 상태의 음용수로 개발 가능한 자원이 된다.

개발 가능한 수자원의 70% 정도는 현재 상태로 사용이 불가능한 빙하상태로 북극 및 남극에 분포해 있고, 영구 동토층 내에 존재하고 있다. 그중 일부 수자원은 대부분 지하의 깊은 대수층 내에 있어 경제적 측면에서 추출에 어려움이 있다. 이 때문에 직접 인류에게 접근이 용이한 수자원은 전체 청정수 자원의 1% 미만이다(지구상 수자원의 0.007% 수준).

이러한 제한된 상태의 가용 수자원에 대한 추가 개발은 전 세계적으로 대부분을 차지하는 물 부족 국가 차원에서 검토되어야 한다. 이러한 나라들은 인구가 증가함에 따라 물 수요가 증가하고, 주민들의 생활수준이 향상됨에 따라 물소비량도 증가되고 있다. 또한 과거에는 적합한 수질이었으나 이제는 맛, 냄새, 색도 및  탁도 등의 관점에서 현재는 적합하지 않다는 소비자들의 인식변화로 인해 음용수 생산 및 관리에서의 규정이 지속적으로 강화되고 있는 추세를 고려해야 한다.

▲ 지구는 인류에게 많은 물을 제공하지만 대부분의 물은 마실 수 없는 상태이다.

To the person flying over the Earth(especially the Pacific Ocean), the amount of water available to mankind seems to be inexhaustible, since 70.6% of the earth’s surface is covered by water. However, most of this water, amounting to 97.5 % of the total global stock of water, is contained in the oceans, in a salty and entirely undrinkable state, leaving only one-fortieth of the world’s water as fresh and nominally available for drinking.

Even this is not without restriction, since most of it (almost 70%) is unavailable, under present conditions, because it is firmly frozen, as glaciers, or in the Arctic and Antarctic icecaps, or in the ground as permafrost. Of the residual, mobile water, most is held in subterranean aquifers as ground water, too deep for economic abstraction, or dispersed throughout the land absorbed in the soil, leaving less than1% of the total freshwater as accessible for direct human use (which is about 0.007% of all of the water on earth).

This limited availability situation must be seen in context with the water poverty conditions of so much of the world, where demand for water is increasing as the world’s population grows, and also as the existing populations in the developing countries increase their standards of living and with it their specific water consumption. The required standards of drinking water production and care are rising continuously, partly because the consumer’s perception of received water quality is slowly changing so as no longer being willing toaccept what was once acceptable, in terms of taste, odour, colour and turbidity.
 
수처리 공정(water treatment process)

위생적인 음용수 처리로 대표되는 청정수 수처리 공정에서의 지속적인 개선의 노력은 강화되고 있다. 음용수 수질 기준을 준수할 목적으로 지표수나 지하수를 끌어들인 원수에 대하여 기존의 일반적 정수처리 방법에 관한 개선, 개발을 필요로 했다.

이러한 개발은 생산 가능한 물의 양을 크게 확대시키기 위하여 기존의 일반화된 수자원이 아닌 새로운 수자원 개발도 포함하고 있다. 새로운 자원으로는 염분이 많은 바닷물의 담수화, 염분농도가 낮은 기수의 담수화, 빗물의 채수 및 재이용, 그리고 생활에서 발생하는 오수인 gray water의 채수 및 재이용 등으로 다양하게 확산되고 있다. 한편, 도시용 폐수를 재이용 목적으로 사용하려는 정책도 주민들이 수긍하는 분위기가 이루어지고 있다.

이러한 처리공정 개발로 인해 다양한 수자원으로부터 안전하고 적절한 음용수를 얻고자 하는 인간의 욕구를 만족할 수 있게 됐다. 그러나 이러한 통상적인 수처리 그룹과는 별도의 그룹이 존재하는데, 이는 음용수 공급용 처리외 별도로 처리를 하는 방법이다. 특별한 산업 공정에 사용 목적으로 처리하는 방법이다. 즉, 산업용의 특수한 고도 품질의 물을 생산하는 것이다.

특정 오염물질을 적정 수준이하로 감소시키는 목적으로 사용되는 물의 정화·정수 공정은 오랜 기간 동안 많은 개선이 이루어진 기존의 일반적 처리 공정과 최근 개발된 기술집약적인 처리공정이 서로 혼합되어 사용되고 있다. 이러한 최신 기술의 공정이 처리해야 하는 오염물질의 요소들은 다음과 같다.

- 색도(용존성 유기물 분자로부터 발생)
- 탁도(부유성 고형물질)
- 맛, 냄새(용존성 유기물)
- 경도(용존성 무기물질)
- 부식성물질
- 인류 및 동식물 건강에 유해한 물질

단, 비교적 청정한 수준의 지하수는 소독·살균만으로도 음용수 수질의 물을 얻을 수도 있다.

▲ 일반적으로 인간의 생활용수로 사용되는 좋은 품질의 물은 산업용으로도 광범위하게 사용된다.

The steadily improving processes for fresh water treatment, leading to a sanitary drinking water, are needed firstly for the conventional purification of raw water, drawn from surface and underground sources, to provide water of a safe drinking quality. Increasingly, this is extended to include the treatment of unconventional sources of water so as to increase the quantity of fresh water that is available.

These unconventional sources include the desalination of salt and brackish waters, the collection and recycle of rain water and of grey water from residential premises, and, as public conceptions start to change to accept it, the recycling of municipal waste waters. These two groups of treatment process provide the means to satisfy human needs for adequate drinking water, from a wide range of raw water supplies.

In addition there is then a third group of processes, basically intended to produce water of a higher quality, by means of the further treatment of potable water supplies, for use in specific industrial applications. The purification processes that are used to achieve the required reduction in contaminant levels are a mix of traditional schemes, which have been steadily improved over the years, and novel systems that are quite exciting developments. The treatment processes are designed to deal with the problems of:

- colour(from dissolved organic molecules mainly);
- turbidity(ie, suspended solids);
- taste and odour(dissolved organics);
- hardness(from dissolved inorganics);
- corrosiveness(from divergence, either way, from pH = 7); and
- harmfulness to human and animal health.

Disinfection alone may be enough to produce an acceptable drinking water from relatively pure groundwater.

대량의 원수를 처리하는데 사용되는 공정은 수원의 종류에 따라 달라지나 일반적으로 지하 대수층내의 지하수(깨끗한 수준이나 경도가 높다) 혹은 지표수(일부 오염이 되어 있으나 경도가 낮다)로 구분된다.

지하수는 비교적 간단한 처리과정을 거친다.
- soluble 철 및 망간 물질의 침전
- deep bed filtration
- disinfection
- 이외에 폴리싱(polishing) 공정으로 UF 멤브레인을 사용, 혹은 별도의 연수화 공정.
 
강물 등 지표수 처리 공정은 부유성 고형물질의 다량 함유로 처리공정이 다소 복잡하다.
- disinfection(간혹 철·망간 제거를 위한 공정과 혼합)
- classification(플록혼화 공정 및 중력에 의한 침전 혹은 부상공정)
- deep bed filtration
- disinfection 
- 별도의 입자 물질 및 색도제거 용도로 UF 멤브레인 공정이 사용

생활용수 혹은 먹는 물을 필요로 하는 지역에 단순히 염분함량이 높은 바닷물만 존재한다면 다음과 같은 담수화공정이 적용된다.
- classification(플록혼화 공정 및 중력에 의한 침전 혹은 부상공정)
- multi-layer deep bed filtration
- successive membrane process(UF 및 RO)
- 자연스런 맛을 발생 목적으로 미네랄 공정 remineralisation
 
현재는 지하수나 지표수 처리의 폴리싱 단계에서 UF 멤브레인 사용은 급격이 증가하고 있는 추세이며, 이는 점차 deep-bed filtration 공정을 대체하고 있다. 수처리 공정에서 사용되는 필터 장치의 목적은 물 속에 부유상태로 존재하고 있는 입자성 물질을 제거하는 것으로 grit, sand 등의 커다란 입자나 콜로이드성 유기물, 박테리아, 바이러스 등 병원성 물질의 미세물질들을 중량기준 0.5% 이하로, 10ppm 이하 수질 기준으로 제거하도록 규정되어 있다.

이러한 주된 목적 외에 필터 장치는 유입수내 미세한 부유상태로 존재하는 오일성분을 제거하는 기능, 콜로이드성 입자 물질 또는 커다란 분자구조를 갖는 용존성 유기물질 등을 제거하는 기능을 갖기도 한다. 또한 물속의 경도를 증가시키는 원인이 되는 커다란 용존성 이온물질 및 염도를 나타내는 작은 이온성 물질들을 제거하는 기능도 갖추어야 한다.

▲ 식품 및 음료산업에서 높은 품질의 물이 다량으로 사용되고 있다.

The processes used to treat raw water in bulk depend obviously on the source of the water-whether it be from underground aquifers (and therefore clean but hard) or from surface water (and therefore polluted but softer). Groundwater has the simplest process scheme:

- soluble iron and manganese precipitation;
- deep bed filtration; and
- disinfection;
with a possible UF membrane filtration as a polishing step, and maybe a separate softening step as well.

River water treatment is more complex, because of the greater level of suspended solids:
- disinfection, probably combined with Fe and Mn removal;
- clarification (involving flocculation and gravity settling or flotation);
- deep bed filtration; and
- disinfection;
maybe with a UF membrane process, for final particulate and colour removal (which may also use carbon adsorption).

Where water is needed and only salty water is available, then a desalination process will be necessary, usually involving:
- clarification, probably with flocculation and settling or flotation;
- multi-layer deep bed filtration;
- successive membrane processes, UF followed by RO; and
- remineralisation to give the water its natural flavour.
(If energy is really cheap then athermal desalination process may be preferred.)

The use of UF membranes as a polishing stage for ground or surface water treatment is a rapidly growing component of the treatment works, which is displacing the deep-bed filter as a final processing step. Otherwise, the above equipment groups are very common in bulk water treatment, supplemented probably by inlet screens. The objective of the filtration processes used in water treatment is mainly to achieve the separation of solid particles that are suspended in the water to the extent, perhaps, of 0.5% by weight or as little as 10mg/l (10ppm), by removing particles that are as large as grit or sand (say 1mm in diameter or more) or as small as colloidal organic materials, or pathogens such as bacteria or viruses (say 0.1μm or less).

In addition to this primary purpose, the filtration system may need to address the removal of oil droplets from suspension in the feed water, or the removal of the colloidal particles or large dissolved organic molecules that are usually responsible for unpleasant tastes or odours or colour in the water, or the removal of the large dissolved ions from inorganic salts responsible for causing hardness in the water, or, finally, the removal of the smaller ions causing salinity (or, more correctly in this case, the removal of pure water from residual brine).

일반적으로 생활용수로 사용되는 좋은 품질의 물은 산업용으로도 광범위하게 사용되며, 이러한 물의 중요성은 실제 플랜트 공정상에서 쉽게 측정 및 평가될 수 있다. 물은 인간의 건강을 위한 필수 요소로서 다음과 같은 산업체 적용분야에 사용되어지는 필수적인 요소이다.

-음식물, 음료, 제약공정에서의 첨가물
-보일러 유입수 등에 사용되는 경우에 에너지 자원
-영농상태의 biomass, 어패류, 수경재배 과채류 등의 재배·양식용의 메디아 소재
-냉각을 위한 열원으로 사용
-이동·운송 목적의 매개체

특히 첨가제로 사용, 보일러 유입수용 및 일부 세척용 사용의 경우, 매우 높은 순도의 물을 필요로 한다. 그러나 에너지 자원의 추출 및 처리공정에서의 물은 그리 높은 순도의 물을 필요로 하지 않는다. 또한 광산이나 금속제품 제조에서도 물의 순도 및 수질 자체는 그리 중요하지 않으나, 생산되는 제품의 특성에 맞는 특수한 물의 성분을 필요로 하고 있다.

케미칼 산업에서는 수처리 설비 규모가 대형이며, 물 사용량도 매우 많은 편이다. 플랜트 내부에서는 매우 많은 보일러 설비가 사용되며, 고품질의 물을 필요로 한다, 정밀 화학분야에서는 스팀사용량이 비교적 적으나, 사용되는 원재료에 따라 많은 물을 필요로 한다. 고무 및 플라스틱 산업에서는 비교적 물의 수요는 적으나, 전기·전자 산업에서는 매우 중요한 공정인 반도체 자재의 세척용으로 초순수의 물을 필요로 한다.

운송시스템 분야에서는 세척 및 세차용으로 많은 물을 필요로 하며, 물의 품질은 중간정도의 산업용수로도 충분하다. 반면, 발전소에서는 매우 높은 순도 값을 갖는 물이 보일러 유입용수로 사용되며 많은 양의 초순수를 필요로 한다.

한편, 설비 규모 관점에서 작은 시장으로 분류되는 분야로는 농업용, 원예용 및 숲속의 관목 재배용 사용 등이 있다. 재배용으로 매우 많은 물을 필요로 하나, 천연의 수자원을 그대로 사용하는 편이며 복잡한 처리과정을 갖지 않는다. 위와 같은 여러 분야에서 많은 양의 물을 필요로 하며, 물의 품질은 적어도 음용수 수질 정도의 품질을 갖추어야 한다.

음용수 수질 정도로 수처리를 필요로 하는 분야는 다음과 같다.
 - food and beverage
 - paper and board
 - bulk and fine chemicals
 - electronic materials
 - power generation
 - domestic·commercial user
 - medical and health

Good quality water, at least suitable for human consumption, is widely used for industrial purposes, and its importance can be gauged from a quick glance at the various end-use application groups and their water demands. In addition to its need for sustenance and personal hygiene, water is needed: for critical washing of components (especially semiconductor materials);
- as an ingredient in foods, beverages, medicines;
- as an energy vector (especially as boiler feedwater);
- as a growing medium for farmed biomass, fish, hydroponics;
- as a coolant; and
- as a transport agent.

Especially as an ingredient, as boiler feedwater and in some washing tasks, is water of the highest purity needed. Thus, water usage in the energy materials extraction and processing sector does not need to be of the highest quality. Much the same is true for mining and metal production, where the purification of products is largely dictated by the specific nature of the products, rather than water quality.

On the other hand, the food and beverage sector uses a great deal of high quality water, as a raw material, as boiler feedwater and for the maintenance of plant hygiene. The paper and board sector is heavily dependent on water availability for pulp preparation and in the paper-making process, much of which is of drinking water quality. The bulk chemicals sector is both very large in its own right, and proportionally a large user of water per ton of product, so that it becomes a correspondingly huge user of water, a great deal of which is used in high quality, on top of which there are many boilers in use throughout the sector.

The fine chemicals sector has a lower steam demand, but has a large input of water as an ingredient. Rubber and plastic products manufacture has a relatively low water demand, as does mechanical machinery manufacture (apart from the low grade use for floor cleansing), but electrical and electronic products has the very important semi-conductor component washing function, using high purity water.

The transport system manufacture and operation sector uses a lot of water for washdown purposes, but of moderate quality only, whereas power generation requires a high proportion of boiler feedwater of very high quality. The fresh and waste water treatment sector, of course, is concerned with nothing but water, of all qualities, mainly of drinking quality or better, as is the domestic, commercial and institutional sector, now with an emphasis onhygiene, like the medical and health sector, which needs an even higher quality.

This leaves what is only a small market for equipment (other sectors) but includes agriculture, horticulture and forestry as a very large user of water for irrigation. Much of this water is used as it comes from natural water courses, and does not involve complicated treatment.

This extremely cursory look at the range of end-use applications shows water of at least drinking quality employed in significant quantity in most of them, and thus the importance of treating fresh water to at least drinking water quality, in:

food and beverage;
paper and board;
bulk and fine chemicals;
electronic materials;
power generation;
domestic, commercial and institutional; and
medical and health;

as well, of course, as the fresh and waste water sector itself.

많은 양의 음용수 수질의 물이 산업체에서 사용되고 있으나 산업용으로 특수한 수질을 필요로 하는 물의 수요가 존재하고 있다. 즉, 음식료 및 제약공정에서의 첨가제 사용, 반도체 제품의 세척용으로 사용하는 경우에는 높은 품질 순도의 물을 필요로 한다. 이 경우 매우 미세한 입자성 물질 및 박테리아나 바이러스 등의 병원성 미생물들이 제거되어야 한다.

MF 및 UF 멤브레인이 필터 메디아로서의 정착 및 지속적인 비용 절감 노력으로 산업체의 공정수 처리에 적용되기 시작하여 큰 변화를 가져왔으며 이제는 대부분의 산업체 공정에서 마지막 처리공정에 멤브레인을 사용하게 됐다.

공정에서 발생된 공정생산수의 재이용을 위한 과정에도 멤브레인 사용의 길이 열리게 됐다. RO, NF 및 일부 UF용 멤브레인은 비교적 청정한 상태의 물이 멤브레인 표면을 통과하면서 확산되는 현상으로 작동된다. 이 중 RO 멤브레인은 바닷물을 담수화 처리하여 먹는 물을 얻는 용도로 사용되고, UF 멤브레인은 RO 공정처리를 위한 중요한 전처리 과정으로 사용된다.

자체적으로도 음용수 및 공정수에 적합한 수준의 정수처리 능력을 갖고 있다. 산업용으로 사용되는 순수, 초순수는 음용수 수질기준으로부터 출발하여 멤브레인 필터 기술이 사용된다. 일반적으로 MF, UF, NF 및 최종적으로 RO 멤브레인 순서로 사용된다. 이러한 멤브레인 과정으로 오염물질이 모두 제거된 완벽한 청정수를 생산하는 것이 가능하나, 매우 높은 특정한 고순도의 물을 얻기 위해서는 EDI 혹은 ED 공정기술 사용으로 물분자보다는 이온성 물질을 우선적으로 제거하는 과정을 거칠 필요가 있다.

▲ 운송시스템 분야에서는 세척 및 세차용으로 많은 물이 사용되고 있으며, 수질은 중간정도의 산업용수로도 충분하다.

Large quantities of drinking quality water are used in industry, but it is also true that many specialised water needs exist (as just described), which require treatment to higher standards of purity, whether for use as an ingredient (eg, in foodstuffs and beverages, or in pharmaceutical preparations), or as a washing liquid (eg, in semiconductors). The additional purification usually involves the removal of very fine solids or of pathogens (bacteria and viruses).

The arrival on the filter media scene of MF and UF membranes, and their steady reduction in cost, has revolutionised industrial process water treatment, and have gone a considerable way towards enabling disinfection of solutions by filtration. Most production processes for industrial process water now employ membranes as their final treatment stage.

They are also opening up the processes for the recycling of process water (which has often, because of its careful treatment and dosing, been turned into an expensive fluid, well justifying its collection and recycling). The membranes used for reverse osmosis, nanofiltration and much ultrafiltration work by diffusion of the relatively pure liquid through the body of the membrane material, under quite high applied pressures. Reverse osmosis has become a key process in the desalination of salty water to produce drinking water. Ultrafiltration is becoming a key preliminary stage for reverse osmosis, but also an important water purification stage in its own right, giving guaranteed purity to drinking and process waters.
Pure water, for industrial use, will usually start with a drinking-quality water, produced as described above, followed by the use of membrane filtration in increasing severity (MF, then UF, then NF, leading up to RO for the purest water).

This does not necessarily produce completely pollutant free water, and the very highest quality may need complete removal of all ionic species other than water, by methods such as electrodeionisation (EDI) or electrodialysis (ED), on their own or working together Care must be taken to see that the regeneration of the ion removal processes, nor the disposal of concentrate from the membrane systems, do not add to the local water treatment problems.

필터여과 산업만으로 물이 부족한 현상을 해결하는 수단이 되지 못하는 상황에서 폐수의 재이용 등으로 가용수자원을 확대하는 것이 물 부족에 대한 바람직한 대체 수단이 될 수 있다. 빗물채수에 의한 방법 또한 유사한 수단이 될 수 있다.

이밖에도 현재 연구 중이거나 일부 사용되고 있는 다른 획기적인 장치의 개발로 FO 기술이 있으며, 이는 염분이온의 이동이 아닌 물분자가 이동되는 특성을 갖는 멤브레인을 사용한다. 최신 기술 개발 동향으로는 △살균용으로 UF 및 NF 멤브레인을 사용 △다양한 분류 기능이 추가된 lamellar settler 개발 △ED기술과 결합된 RO공정의 사용증가 △재난지역에서의 적절한 담수화 장치의 표준화 추진 등이 있다.

한편, 로키드 마틴 개발의 monatomic membrane 발표, 다른 형태의 카본 나노튜브의 개발 등의 나노소재의 사용 증가는 매우 미세한 필터 메디아의 개발을 선도하고 있다. 이외에 다른 형태의 장치로 매우 미세한 층의 나노파이버를 사용한 멤브레인이 있으며 이는  Hollingsworth&Vose 및 Donaldson에 의해 발표됐다.

종이 펄프로부터 만들어지는 필터 메디아로서의 비교적 새로운 소재는 CelluForce사에서 개발한 매우 강도가 높은 nanocrystalline cellulose가 있다. 한편, 물의 필터여과 기술에서 관심을 두어야 하는 항목은 지하수내에 마이크로 입자크기의 오염물질 축적으로 발생되는 문제점, 지하수를 소방용수로 사용할 때 소화지연제의 존재로 인한 문제 등이 발생하는 경우의 해결책에 관한 것이다. 
 
There has been a theme of scarcity running through this article, and whilst the filtration industry can do little to prevent the wars with which the world is threatened “when the water runs out”, it can do a great deal to make more water available, such as the recycling of municipal waste water-better called grey water recycling, to make it more acceptable.

Rainwater harvesting is a similar activity, without the public relations problems-but with the very real advantage that each rainwater harvesting system involves a filter (as probably does a grey water plant). Other equipment developments under way, or to be fully implemented, include forward osmosis (with a special membrane that allows passage to water molecules rather than salt); the use of UF and NF membranes for disinfection (by removing all harmful entities, including viruses); the lamellar settler taking on more clarifying duties; the increasing usage of reverse osmosis coupled with electrodialysis (to achieve full de-ionisation); and the provision as standard of “adequate” desalination kits for disaster areas.

The increasing availability of nano-scale materials will lead to very fine filter media, such as Lockheed Martin’s recent announcement of a monatomic membrane in the form of a single layer, carrying pores of the size of an atom, and other announcements of carbon nanotubes with membrane possibilities. In a different format are the membranes using very thin layers of nanofibres, announced, for example, by Hollingsworth & Vose, and by Donaldson. A relatively new material, showing filter media potential, derived from paper pulp as plastic fibrils, is the very strong nanocrystalline cellulose, currently made by CelluForce.

On a more specific, water filtration note, mention must be made of the concern being expressed over the accumulation of micropollutants in groundwater, either in suspension or solution. In particular, warnings have been sounded over oestrogens (from birth control tablets), but another hazard, because of its co-existence with large quantities of groundwater, is the fire-retardant chemicals used in fire-fighting.